水田排水干渠中总氮的迁移与削减.pdf

第 0 8期( 总第 3 7 5期 ) 吉 林 水 利 2 0 1 3年 0 8月 [ 文章编号 ]1 0 0 9 — 2 8 4 6( 2 0 1 3 )0 8 — 0 0 01 — 0 4 水 田排水干渠中总氮的迁移与削减 刘小飞 ．张天翼 ( 1 ． 长春市双阳区黑顶子水库管理 中心 ，吉林长春 1 3 0 6 1 4 ； 2 ． 吉林省银河水利水电新技术设计有限公司，吉林 长春 1 3 0 0 2 2 ) [ 摘要 ]水田灌 区排 水渠道 既是 总氮汇集 、迁移、转化的主要场所 ，也是 关系到农村生 态文 明建设的人工河流。 通过对前郭灌 区排 水干渠的 系统检 测 ．基本 了解 了排水干 渠 中总 氮的组分 、迁 移、转化规律 ．提 出了地表控 制 、水岸拦截 、沿程 削减相结合 的削减与利 用水体 中总氮的主要技术 方法 ，对进 一步开展 十二五期 间 “ 水 专 项”子课题 的研 究与示范、减 少灌 区退水总氮污染河流、建设农村生 态文明具有指导意义。 [ 关 键 词 】排 水 干 渠 ；总 氮 ； 迁 移 ； 削减 [ 中图分类号 ]P 3 3 2 ． 7 [ 文献标识码 ]B 排水干渠是水 田灌区农业 面源污染 物中总氮 ( T N) 的 主要 汇 集 、 迁 移 、 转 化 的主 要场 所 ， 总 氮 江 河水体 的主要污染物质之一 分析研究灌 区排水 干渠中总氮的迁移 、 削减规律 ， 提出削减总氮浓度 的技术 方 法 ．对 调 控 和减 少 河 流 的氮 污 染物 具 有 重要 意 义 。 吉林省水利科学研究院在 “ 十一五” 期间承担 的《 国家水体污染控制与治理科技重大专项》 ( “ 水 专项 ” ) 子课题《 松花江农业面源污染水质水量调 控与工程示范》 中， 以前郭灌 区排水干渠为研究对 象开展了监测与研究工作 ．基本了解了排水干渠 中总氮的汇集与迁移规律 ． “ 十二五”期间将在饮 马河流域黑顶子水库灌区继续开展 “ 水专项” 课题 的深入研究与推广应用工作 ．为削减农业面源污 染提供切实可行 的技术方法。 2 前郭灌 区排水 干渠概况 前郭灌区位于吉林省西部松嫩平原 ．松原市 前郭县第 二松 花江左岸 ．始建于 1 9 4 3年 日伪时 期 。是以第二松花江为灌溉水源 ， 利用哈达山 、 锡 伯屯 、 七门吐等抽水站电力灌( 排) 的大型灌区， 据 2 0 1 1年进行的实际测量和调查 ．水 田灌溉面积已 经 达到 5 6 ． 7 9万 亩 灌 区排水 总干渠 长 5 3 ． 8 5 k in． 底宽 5 0 m． 水深 2 ． 5 m． 原为引第二松花江水人查干湖的补给渠道 ． 1 9 8 5年后做为前郭灌 区的排水 干渠 前郭灌区的 地表农业污染退水通过排水 干渠( 引松渠道 ) 进入 新庙泡后 ． 最终进入查干湖 。 3 排水干渠 中总氮的监测 排水干渠 ( 引松渠道 ) 中总氮 的来源 。 主要包 括多种形态氮随地下潜水的渗入与解吸附 、地表 径流的汇集 、 生物衰亡及凋落物分解 、 下游湿地影 响等。其中： 地下潜水、 地表径流汇集的总氮 ， 在有 关文献中已有阐述 ：在相关研究 中已发现在每年 的 1 2月初一 次年 5月初下游新庙泡水体有 向引松 渠道倒流现象 ．表 明下游湿地水体中的总氮也会 影 响排 水干 渠 为客观 了解排水干渠 中总氮 的变化规律 ． 分 别在渠道末端湿地 的高家桥及川头闸 、 上溯 1 5 k m 的前乾公路桥设置 了 3个监测点 ．对排水干渠水 质进行较长时间的全面系统监测 ．监测频率为每 月一次 ， 监测 内容 除总氮 ( T N) 外 ， 还包括 p H值 、 [ 收稿 日期 ]2 0 1 3 — 0 5 — 1 0 【 作者简 介] 刘小飞( 1 9 7 2 一 ) ， 男， 长春市双阳区黑顶子水库管理 中心 副主任 ， 政工师 ， 长期从事水库灌区管理及 生态建i Lr ．． 作。 [ 基金项 目]国家水体 污染控制 与治理科技重 大专项 吉林水利 水 田排水干渠中总氮的迁移与削减 刘小飞等 2 0 1 3年 0 8月 EC、 TP、 NH3- N 、 NO3-N 、 NO2一N 、 CODc r 、 CODmn、 B O D 5 、 D O、 c h l — a等内容。 4 总氮在排水 干渠 中随时间的迁移 在排水干渠 ( 引松渠道) 的各监测点 ， 总氮浓 度均呈现年初较高 、 随时间推移逐渐降低的现象 ． 不仅在排水干渠 ， 而且在查干湖 、 新庙泡均存在 。 体现 出三者存在同源性 分析排水干渠年内总氮浓度随时间变化 的趋 势认为 ： ( 1 ) 在 5 —6月份灌溉施肥集中期 ， 总氮浓度 有 短 时段 增 高现 象 ．退水 携 带 的总 氮在 一 定时 间 内对年内总氮浓度有一定影响 ．但并未影响到总 氮 年 内 变化 趋势 ： 同时 1 —4月 和 1 0 — 1 2月 的非 灌溉期引松渠 中无退水 ．渠道内外基本处于冰封 状态 ． 无地表径流 ， 但总氮浓度依然保持年初 高 、 年末低的趋势．表明农 田灌溉期 的地表退水并不 是驱动排水干渠总氮浓度年 内变化的主体 ．引渠 汇集 的地 下水 中携带 的总氮 是导 致 总 氮浓 度变 化 的主要因素。冻融期间地下水 中总氮浓度增加， 汇 集到排水干渠 中后 ， 造成 了年初较高 、 年末较低 的 现象 ( 2 ) 经冬季凿冰检测 ， 发现引松渠冰下冬季存 在不冻水流 ， 水深超过 2 m， 即渠底不存在冻融释 放总氮条件 ．而在两侧渠坡则有冻融释放总氮的 条件 。 进一步增强 了总氮年初较高 、 年末较低 的现 象 。 5 总氮在排水干渠沿程的积累与削减 总 氮在 排水 干渠沿 程 既 有积 累 的过 程 ．也 不 断受到削减。从监测数据看 ， 引松渠下游 ( 高家桥) 的总氮浓度略高于上游( 前干桥 ) ， 但进入新庙泡 一 2 一 后浓 度明显 下降 。分析认 为 ： 引 松渠 中 总氮 浓 度 受 汇 集 的 地下 水 中 总 氮 、 沿程生物有机物死亡后分解总氮等的影响．其中 以潜水总氮为主要驱动因素．随着潜水 的不断汇 人 ． 沿程也会逐渐积累和增加 ． 使浓度 自上而下呈 上 升的趋 势 ： 同 时引 松渠 沿程 两 岸部 分 区域 水 生植 物 生 长 较 茂 盛 ． 也 在 不 断 吸 收 、 转 化 总 氮 ． 在 一 定 程 度上 削 减总氮 浓度 进一 步考 察相关 的参 数 ． 可 发现 叶 绿素 a也在年 内均值呈现 出沿程增加的现象 ． 见 表 1 ： 表 l 引松 渠 道 沿 程 c h l — a变 化 mg ／ 1 表 明总 氮 在随 排水 干 渠水 流 逐渐 下 移 的过 程 中 ． 也在 不断 转化 ． 并形成 了浮游植物 。 由于 引渠沿 程水 岸 生 态 系统 尚不 完 善 ．现 有 削减总氮能力有限 ．故在引松渠 内总体上仍体现 出沿 程略 有增 加 的趋 势 。进 入新 庙 泡后 ．由 于芦 苇 、 香蒲 、 菹草等大型水生植物生长茂盛 ， 削减总 氮能 力 明显 增加 ． 总 氮浓度减 少 的幅度较 大 6 排水干渠 中总氮的存在形 式与变化趋势 总氮一般是由氨氮( N H3 一 N) 、 硝酸盐氮( N O 3 一 N ) 、 亚硝酸盐氮( N O 2 一 N ) 即“ 三氮” ， 以及可溶性有 机氮( D ON ) 等组成。 在前郭 灌 区排 水干 渠 中． “ 三氮 ” 年 内平均 值 占 总氮的 4 7 ． 2 ％。进一步分析“ 三氮” 变化趋势 ： 氨氮在 年 内平均 值 占总氮 的 2 0 - 4 ％． 表现 出 与 总氮变化基本一致 ． 相关系数达到 0 ． 7 6 ． 浓度大致 表 现 为为 年初 高 、 年末 低 的趋 势 ， 表 明氨 氮是 总 氮 变化趋势的主导因素之一 吉林水利 水田排水干渠中总氮的迁移与削减 刘小飞等 2 0 1 3年 0 8月 亚硝酸盐氮年内均值 占总氮的 2 ． 6 ％． 在 5 —6 月间出现峰值 ． 与总氮也表现 出正相关 ． 但在年初 浓度不高 ， 分析其主要原因为 ： 5月中旬后 ， 灌 区地 下潜水位高于排水干渠 ．潜水 中积累的亚硝酸盐 氮被 携 带 进入 排 水 干渠 中 ． 导 致 5 —6月排 水 干 渠 亚硝酸盐浓度 出现峰值 ： 随着地表水 的不断补给 、 稀释． 地下潜水中的亚硝酸盐氮浓度会逐渐降低 ． 在 5月后体现出明显的逐月降低趋势 ： 另外 。 年初 较 低 的温 度 ．也 大 大 削弱 了水 中硝 化 微生 物 的活 力 。 硝酸盐氮年 内均值占总氮的 2 4 ． 2 ％． 变化趋势 与亚硝酸盐氮相似 ： 在 5 —6月份数值较高 ， 这也 与灌 区直接使用硝酸铵等硝态氮肥有关 ．在 5月 后也体现出明显的逐月降低的趋势 除去“ 三氮” 外 ． 其余 5 0 ％以上的总氮存在方 式 ， 绝大部分应为以可溶性 有机氮方式存在 ， 同总 氮的相关系数达到 0 ． 8 2 2 1 。 也呈现出年初高 、 年末 低的变化趋势 ． 体现出地下潜水及冻融对 D O N的 解吸附作用和影响 考察年内各阴离子与总氮的相关关系 ．可见 重碳酸盐与总氮呈正相关 ．而与其它阴离子未体 现 出相关 ．即铵 的重碳酸盐可能是总氮存在 的另 一 种主要形式 ．同时也是驱动总氮变化的另一个 主导因素 7 总氮浓度影 响 因素分 析 从 总 氮年 内变 化趋 势 分 析 ．汇 人 排 水 干渠 的 地下潜水所携带的总氮 ．是影响渠道总氮浓度的 重要因素 对 比年 内引渠与地 下水 总氮浓度变化趋势 ． 可 发 现 5月 份 后地 下 水 中 的总 氮 浓度 与 渠 道 相差 不大 ． 而在 4月份冻融变化期间总氮浓度大 ． 但 由 于 此间排 水渠道 的水位 高于地 下潜水水 位 的缘 故 ． 并未 明显增加引渠总氮浓度 ， 但对年 内总氮变 化趋势产生影响 进一步分析地下水总氮对排水干渠总氮浓度 的影 响机制 认 为 ： ( 1 )地下水一 排水干渠水间水体的双向交换一 补给对总氮浓度产生影响 5月份灌溉前及灌溉初 期 ． 监测井引渠侧水位较高 ． 而在灌溉期 5 一 l O天 左右引渠侧水位低。分析认为： 五月份 之前 由于是排 水干渠 水流补 给地下 水 ． 地 下水 中的总氮浓度虽大于排水干渠 。 却难 以 逆 向流 入渠 道 ． 只能 以弥 散 方式 部分 进 入渠 中 ． 因 此对排水渠影响有限： 在 5月 中旬 ． 排 水 干渠 侧 水 位相 对 较 低 ． 地下 水位提高 ． 其中携带的总氮可流人排水干渠 。 但由 于地下水位普遍升高 ． 水量增加 ， 又稀释并降低了 地下 水 总 氮浓 度 ．因此进 入 排 水干 渠 后 的影 响不 明显 。 ( 2 ) 粘 土 晶格重 新 吸 附地 下 水 中 的铵 离子 。 削 减了因冻融提高的总氮浓度 ．进而削减了进人渠 道的总氮浓度 在分析总氮 向地下水的迁移过程 时 ．已经发现前郭灌 区土壤 内粘土矿物成分约 占 2 5 ％。 成分基本为高岭石、 伊利石和伊蒙混层。 粘土 矿物具有缓 冲作用 ．可吸附随水流渗入的铵离子 及可溶性有机氮 ( D O N 1 ， 使地下监测井群总氮浓度 保持相对 的同期均匀性 。进一步研究认为 ： 这种现 象 在 因 地下 水 位 上 升 而 不 断 扩 大 的 粘 土 一 地 下 水 结合 区域也在发生 。 由于此间铵离子浓度较大 ． 使 吸附和交换能力相对提高 ．粘土颗粒及粘土晶格 重新 吸附地下水中的铵离子 ．使得地下水总氮在 非冻融期保持在一个相对稳定的浓 度范围内 ． 根 据初步统计结果 ．认为此间地下水 总氮相对稳定 浓度大致在 1 ． 7 5 mg ／ l 左右 ． 其 中氨氮在 1 ． 0 5 mg ／ 1 左 右 。 从农 民耕作方式分析 ． 泡 田一 施用底肥一 插秧一 追肥一 补肥的各环节 ． 都是在每畦田块泡水后封堵 一 3 一 吉林 水利 水 田排 水干 渠 中总氮 的迁移 与削减 刘小飞 等 2 0 1 3年 0 8月 排水 口后进行 ， “ 肥水不流外人 田” 。因此在灌排工 程设施较为完善 、 土壤 吸附能力较强的条件下 ． 底 肥施肥期间排水干渠内总氮浓度变化不大 ．对年 内总氮浓度变化无较大的影响 5月 中上旬 及六 月 中上旬 的两 次洗 碱过 程 ． 是 经过排水干渠 向下游输送总氮的主要方式 ．不仅 冲洗 、 稀释地表层盐碱成分 。 也带走 田块 中部分未 被作物吸收 、 未被粘土矿物吸附 、 未蒸腾逸失 的氮 肥 ． 特别是春季粘土晶格释放的铵离子 ． 可造成短 期 内总氮浓度 的增加 8 调控和 削减排水干渠 中总氮浓度 的基本 措施 削减排水干渠 中的总氮浓度 ．对减少农业及 农村面源污染 、保护与修复河流生态系统具有重 要作用 根据对排水干渠中总氮 的来源及迁移过 程 的分析和研究 ．削减的基本措施应注重地表控 制 、 水岸拦截 、 沿程削减相结合 。 ( 1 ) 地 表控制 地表控制应注重在“ 质” 和“ 量” 两方面进行调 控 。 “ 质” 的调控应注重确定科学合理的化肥用量 和施用方法 ． 在不减少单产的前提下 ． 减少化肥使 用量 和流失 量 ： “ 量” 的控制应注重通过实验制定科学合理的 灌溉制度 ． 同时实施节水灌溉工程 ， 减少回归水量 及回归水中携带的总氮等污染物 ( 2 ) 水岸拦截 排水干渠水岸是污染物进入水体前 的最后一 道屏障 ． 也是农村水岸生态景观的重要 内容。水岸 拦截主要是通过护坡等工程措施 ， 拦截 、 降解垂直 迁移至地下潜水中并渗流进入排水干渠的农 田氮 污染物。应采用多种生态化防护技术建设生态水 岸 ， 形 成 水一 岸生 态 过 渡 带 和污 染 物 隔 离带 ． 强 化 排水干渠两侧边坡的拦截 、降解 、吸附污染物功 能 ． 同时构建 出渠系生态系统的基本功能． 为水生 动植物 、 小型两栖动物 、 涉水及滨水鸟类提供栖息 场所 。 ( 3 ) 沿 程削 减 排水干渠沿程两岸应抚育可吸收水 中营养物 质的植物 ． 在十一五“ 水专项” 课题 中． 曾在前郭灌 区排水干渠开展了 《 恢复与抚育退水干渠两岸湿 地 削减 污染物 示 范》 ．通 过 1 5 k m 的生 态水 岸 沿程 削 减 ． 5 — 1 O月总 氮 的平 均浓 度 由首 端 的 1 ． 9 9 m g ／ 1 削减至末端 的 1 ． 4 6 mg ／ 1 ， 削减率为 2 6 ． 6 3 ％． 效果较 为显著。水岸植物应 因地制宜 ， 与当地生态环境协 调一致 ．由于饮马河流域灌区排水渠道规模普遍 较小 ． 很 多是利用天然河道退水 ． 因此建议在饮马 河流域排水渠道两岸抚育植被时 ．应以当地柳灌 丛为主， 不宜选用芦苇、 香蒲等需人为移出的草本 植 物 9 结语 灌区排水干渠既是农业 面源污染物的汇集场 所 ． 也是 事关农 村生 态环 境建设 的人 工河流 科 学 认识和把握排水干渠水体 中总氮汇集 、 迁移 、 转化 规律 ．采用生态防护材料与技术营造稳 固的渠道 水岸生态景观 ， 因地适 宜抚育适用植物 、 动物 。 削 减和利用水体营养物质 。 对遏制农业面源污染 、 保 护生态环境 、 营造农村生态景观 、 建设农村生态文 明等具有重要意义和作用 ．在今后的水利农 田灌 区建设 中， 应 当给予足够的重视。口 The mi g r a t i o n a nd r e d uc t i o n o f n i t r o g e n i n pa d dy d r a i n a g e c a n a l H u Xi a o - f e i ， Z ha n g Ti a n - y i Abs t r a c t ： Dr a i na g e c a n a l s i n p a d d y i r r i g a t i o n a r e a a r e t h e ma i n l o c a t i o n o f bo t h TN c o l l e c t i o n， t r a n s p o r t ， t r a n s — f o r m a t i o n ， b u t a l s o r e l a t e d t o t h e r u r a l e c o l o g i c a l c i v i l i z a t i o n c o n s t r u c t i o n o f t h e a r t i f i c i a l r i v e r ． B y Q i a n g u o i r r i — g a t i o n d r a i n a g e c a n a l s y s t e m t e s t i n g ， a b a s i c u n d e r s t a n d i n g o f t h e c o mp o n e n t s o f t o t a l n i t r o g e n i n d r a i n a g e c a n a l ， mi g r a t i o n ， t r a n s f o rm a t i o n rul e s ， t h i s a rt i c l e p r o p o s e d t h e ma i n t e c h n i c a l me t h o d s c o mb i n e d wi t h a g r o u n d c o n t r o l ， i n t e r c e p t i n wa t e r f r o n t ， t o r e d u c e t o t al n i t r o g e n a l o n g c a n a l s ， a n d p r o v i d e s a d e mo n s t r a t i o n f o r f u r t h e r d u ri n g t h e t w e l f t h fi v e s u b - t o p i c o f “ w a t e r p r o j e c t s ” ， h a s s i g n i fi c a n c e t o c o n s t r u c t rur a l e c o l o g i c a l c i v i l i z a t i o n a n d t o r e du c e n i t r o g e n p o l l u t i o n i n i r r i g a t i o n t o r e t u r n wa t e r t o riv e r s ． Ke y wor ds： d r a i na g e c a n a l ； TN； mi g r a t i o n； c u t s 一 4 一